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1、传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程第第12讲物位及厚度检测讲物位及厚度检测 Level&Thickness transducer2008年3月12传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程n物位测量l液位是指开口和密封容器中液体介质液面的高低；l料位是指固体粉末或颗粒物在容器中堆积的高度；l相界面是指两种液体介质的分界面。l液位计、料位计、界面计n厚度测量3传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程直接测量直接测量直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它是是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观
2、察管中，通过标尺读出液位高度。的观察管中，通过标尺读出液位高度。下图所示的是玻璃管液位计。下图所示的是玻璃管液位计。4传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程主要内容主要内容n浮力式物位检测n静压式物位检测n电容式物位计n超声传感器与物位、厚度检测n微波式传感器n核辐射物位与厚度检测n电涡流传感器及厚度检测5传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程浮力式物位检测浮力式物位检测n浮力式液位计是根据液位变化时，漂浮在液体表面的浮子随之同步移动的原理工作的。这一移动距离通过机构传出或变成气信号或电信号，即可测出液位，即为恒浮力式测量；n也可将浮筒的一部分浸入液体中，并使之不能自由漂浮，则其所受的浮力
3、将随液位或相界面位置而变化，测出此浮力变化即可测出液位，即变浮力式测量。6传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程直读式浮子式液位计，这是一种最简单的液位计，一般只能就地显示。式中：W浮子的重力；F 浮力；G 重锤的重力。图4.1.1 恒浮力物位测量原理图1浮子；2 绳索：3 重锤恒浮力式物位检测恒浮力式物位检测7传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程变浮力式物位检测变浮力式物位检测 浮筒式液位计属于变浮力液位计，当被测液面位置变化时，浮筒浸没体积变化，所受浮力也变化，通过测量浮力变化确定出液位的变化量。图中：1-浮筒；2-弹簧；3-差动变压器与书中图的不同！与书中图的不同！与书中图的不同！
4、与书中图的不同！8传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程式中：x0弹簧被压缩的位移；C 弹簧的刚度；G 浮筒的重力。平衡条件根据平衡条件可知为液体的密度9传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程n其它力平衡的测量方式l直线位移l角位移10传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程静压式物位检测静压式物位检测n静压式物位检测原理n压力式液位计n压差式液位计n量程迁移11传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程静压式物位检测原理静压式物位检测原理原理：液柱静压与液柱高度压力成正比原理：液柱静压与液柱高度压力成正比式中：pA A点的静压；pB B点的静压；H 液体的高度；液体的密度。12传感器与检测
5、技术教程传感器与检测技术教程压力式液位计压力式液位计n压力计式液位计l测量敞口容器的液位高度。l1 阀门；2导压管；3压力表l关于测量值修正的问题压力表式压力液位计13传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程n法兰(Flange)液位计l法兰盘l压力计n黏稠液体的隔离和传递介质（硅油）法兰式压力液位计14传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程n吹气式液位计l适用于腐蚀性、高粘度、含有悬浮颗粒的液体液位l敞口容器吹气式液位计15传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程压差式液位计压差式液位计2 压差计，其输出与上下压力差有关；16传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程电容式物位计电容式物位计
6、n电容式物位传感器利用被测物的介电常数与空气的不同的特点进行检测n适用于导电、非导电液体的液位和粉状物料的远距离连续测量和指示。n电容式物位计工作原理n电容式物位传感器n电容式物位传感器应用举例17传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程电容式物位计工作原理电容式物位计工作原理检测原理：检测原理：两个长度为两个长度为 L，半径分别，半径分别为为 R和和 r 的圆筒形金属导体，的圆筒形金属导体，中间隔以绝缘材料构成圆筒形中间隔以绝缘材料构成圆筒形电容器，如图所示。电容器的电容器，如图所示。电容器的电容量：电容量：液位变化引起等效介电常液位变化引起等效介电常数数 1变化，从而使电容器的电变化，从而
7、使电容器的电容量变化。容量变化。18传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程电极间被介电常数为电极间被介电常数为 2 的液体浸没时，引起电容变化的液体浸没时，引起电容变化浸没长度为浸没长度为 l 时，则电容值为时，则电容值为电容变化值与液体的高度成正比电容变化值与液体的高度成正比19传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程电容式物位传感器电容式物位传感器n用来测量导电介质的单电极电容液位计n它只用一根电极作为电容器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外电极。1-内电极；2-绝缘套20传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程n用于测
8、量非导电介质的同轴双层电极电容式液位计。n内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。1、2内、外电极；3绝缘套；4流通孔。21传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程电容式物位传感器应用举例电容式物位传感器应用举例电容式料位1-金属电容；2-测量电极；3-辅助电极；4-绝缘套22传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程超声传感器与物位、厚度检测超声传感器与物位、厚度检测n超声波检测原理n超声传感器n超声传感器测物位n超声传感器测厚度23传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程超声波检测原理超声波检测原理n超声波及其波形l纵波横波表面波n超声波的传播速度
9、 vl取决与介质的弹性常数和密度n扩散角 sin=1.22(/D)n反射与折射 l反射定律折射定律反射系数 Rn声波的衰减 (dB/cm)l和频率的关系24传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程超声传感器超声传感器n超声传感器主要有压电式、磁致伸缩式、电磁式等。n压电效应和逆压电效应n采用脉冲工作方式n压电材料：l石英（SiO2）钛酸钡(BaTiO3)锆钛酸铅(PZT)l偏铌铅(PbNbO6)25传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程超声传感器测物位超声传感器测物位n超声波液位测量有许多优点：l与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振幅小，仪器寿命长；l超声波传播速度比较稳定，光
10、线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；l不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥测或遥控信号；l能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船中的液位。26传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程n超声波液位测量也有缺点：l超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；l当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化，对此超声波液位计应有相应的补偿措施，否则严重影响测量精度；l有些物质对超声波有强烈吸收作用，选用测量方法和测量仪器时要充分考虑液位测量的具体情况和条件。27传感器与检测技术教程传感器与检
11、测技术教程(a)气介式 (b)液介式 (c)固介式单探头超声波液位计 超声波传播距离为超声波传播距离为 L，波的传播速度为，波的传播速度为 c，传播，传播时间为时间为 t，则：，则：28传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程n超声波液位计利用波在介质中的传播特性。n在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器，发射出的超声波在相界面被反射。并由接收器接收，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。29传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程n超声波液位计按传声介质不同，可分为三种l气介式l液介式l固介式n按探头的工作方式可分为自发自收的单探头方式和收发分开的双探头方式。相互组合可以得到六
12、种液位计的方案。30传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程超声传感器测厚度超声传感器测厚度31传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程微波式传感器微波式传感器n微波传感器的组成、原理及分类n微波传感器测物位与液位n微波传感器测厚度在电磁波谱中将波长为在电磁波谱中将波长为11000mm(频率：频率：300MHz 300GHz)的电磁波称为微波的电磁波称为微波。微波的特点是微波的特点是:(1)在各种障碍物上能产生良好的反射，具有良在各种障碍物上能产生良好的反射，具有良好的定向辐射性能；好的定向辐射性能；(2)在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的影响小，具
13、有很强的环境适应能力。的影响小，具有很强的环境适应能力。32传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程微波传感器的组成、原理及分类微波传感器的组成、原理及分类MS与与S合而为一合而为一有源微波传感器有源微波传感器MS与与R合而为一合而为一自振荡式微波传感器自振荡式微波传感器1.反射式微波传感器利用微波反射的原理制作的液位计，可以连续检测与实现液位定点控制。2.遮挡式微波传感器33传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程微波传感器测物位与液位微波传感器测物位与液位n1.微波物位计物位低物位高34传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程 图为定点式微波料位计原理示意图。图中的振荡器为一高频振荡器，可
14、用速调管、磁控管或微波固体元件构成。35传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程 小型的微波振器可用体效应管、微波砷化镓金属半导体场效应三极管、高迁移率场效应三极管等作发生器，产生的微波用波导管引到辐射天线而发射出去。发射天线与接收天线有扇形、角锥形或圆锥形等嗽叭筒天线，可保证辐射波有良好的方向。此外还有一种介质天线，方向性更好。振荡器产生的微波电流，馈送给安装在料面一侧的发射天线向料面发射出去，经过料上方被接收天线接收。36传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程当料位较低时，定向发射的微波无衰减的直接为接收天线接收，经前置放大器放大到适当的电平后馈送到电子放大器，经检波、放大后，与定电压比
15、较，发出正常工作的信号，表示料位没有超过规定高度。这时接收器由天线收到的功率为：式中：微波发射与接收天线的增益；微波的波长；发射与接收天线的距离；馈送给发射天线的功率。37传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程 当料位升高到遮断微波束时，微波一部分被物料反射回去，一部分被物料吸收。接收到的微波功率为式中为衰减系数，决定于物料的电磁性能、颗粒大小、堆积形状及含水量等。此时微波被接收后经放大并在电压比较电路与定电压进行比较，其电位低于定电压，使仪表发出料位高的信号。这种定点式微波物位计很适合于物位测量的上、下限报警用。38传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程2.微波液位计微波液位计39传感器
16、与检测技术教程传感器与检测技术教程3.调频连续波式物位计调频连续波式物位计40传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程通常只需将发射、接收天线装在被测料仓（罐）上方，即可对物位进行连续测量。这种调频连续波式微波物位计抗机械噪声、电磁噪声能力强，在高温、高压、高粘度情况下，可连续、快速而准确地测出目标物体的物位值。调频连续波式微波物位计工作原理如图所所示。调频式微波液位计原理示意图 41传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程固态源频率变化规律为：式中 ：T调制波周期；F调制波频率；固态源初始频率；本振频率；固态源在调制信号1/2周期内的频偏范围；t 时间。42传感器与检测技术教程传感器与检测技
17、术教程回波频率为：式中 回波频率；微波往返于被测对象之间的延迟时间t=2L/C，C为光速，L为被测距离；43传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程所以，差频频率 为 由上式整理得被测距离L为 从上式可以看出被测距离 L与差频频率 成正比。当固态源的调制频率F和频偏 一定时，只要测出 ，就可以计算得到 L。44传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程 当固态工作频偏 =300 MHz，调制频率F=1kHz,则有：即被测距离L 每变化1 m时，差频频率为4 kHz。采用三角波双重调制可以克服调频式微波物位计的部分固有误差；加上采取其他措施，微波物位计的测量精确度可达1%。测量范围一般为0.520
18、 m，最大可达几十米（由固态源发射功率大小决定）以上。45传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程核辐射物位与厚度检测核辐射物位与厚度检测n放射源和探测器测量电路核辐射厚度计核辐射液位计46传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程放射源和探测器放射源和探测器不同物质对同位素射线的吸收能力不同，一般固体最强，液体次之，气体最差。当射线射入厚度为H的介质时，会有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线强度 I 与入射强度 I0 之间有如下关系：式中 吸收系数，条件固定时为常数。变形为：因此测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现。47传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程核幅射式液位计由辐射
19、源、接收器和测量仪表组成。辐射源一般用钴60或铯，放在专门的铅室中，安装在被测容器的一侧。幅射源在结构上只能允许射线经铅室的一个小孔或窄缝透出。接收器与前置放大器装在一起，安装在被测容器另一侧，射线由盖革计数管吸收，每接收到一个 粒子，就输出一个脉冲电流。射线越强，电流脉冲数越多，经过积分电路变成与脉冲数成正比的积分电压，再经电流放大和电桥电路，最终得到与液位相关的电流输出。48传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程图所示为辐射源与接收器均是为固定安装方式的核幅射液位计。(a)(b)核辐射式液位计1-放射源；2-接收器(a)为长辐射源和为长辐射源和长接收器形式，长接收器形式，输出线性度好；输
20、出线性度好；(b)为点辐射源为点辐射源和点接收器形式，和点接收器形式，输出线性度较差。输出线性度较差。49传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程辐射式液位计既可进行连续测量，也可进行定点发送信号和进行控制；射线不受温度、压力、湿度、电磁场的影响，而且可以穿透各种介质，包括固体，因此能实现完全非接触测量。以上这些特点使得辐射式液位计适合于特殊场合或恶劣环境下不常有人之处的液位测量，如高温、高压、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、易结晶、沸腾状态介质、高温熔融体等的液位测量。但在使用时仍要注意控制剂量，作好防护，以防射线泄漏对人体造成伤害。50传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程n测量电路n核辐射厚度计n核辐射液位计51传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测n涡流效应n高频反射式涡流传感器n低频透射式涡流传感器